[Перевод] Совершенствование оптоволоконных лазеров означает скорое появление лучевого оружия

Хитроумная конфигурация промышленных лазеров сделает наконец лазерное оружие практичным

Самое продвинутое лазерное оружие морфлота США выглядит как дорогой телескоп для новичков. Оно возвышается на шасси десантного транспорта USS Ponce и глядит в небо над Персидским заливом, в то время как его оператор сидит в тёмной комнате где-то на корабле, и держит в руках нечто вроде игрового контроллера. Перед ним на экране видно небольшую лодку, расположенную недалеко от Ponce, везущую некий тёмный объект. Инфракрасный луч, направленный прямо на этот объект, не видно, но одна из точек вдруг становится ярче, а потом объект внезапно взрывается, и металлические осколки разлетаются от него, падая в воду.

Это оружие, на скорую руку собранное из нескольких промышленных лазеров, предназначенных для резки и сварки, должно выдавать всего около 30 кВт – и это далеко не тот мегаваттный монстр, о котором много десятилетий мечтают военные учёные, способный сбивать МБР. Но это, как говорят его сторонники, серьёзная веха на пути к будущему, в котором оружие с направленной энергией будет развёртываться в реальных боевых условиях. Они добавляют, что это будущее появится в результате изменений миссии и технологии. Изменения в миссии идут уже годами – от глобальной защиты от «ненадёжных государств», обладающих ядерным оружием, к локальной защите от повстанцев. Изменения в технологии происходят резче, и ведут к новым твердотельным оптоволоконным лазерам. Они составляют основу быстрорастущей индустрии в США объёмом в $2 млрд, заново создавшей имевшиеся в наличии технологии для резки и сварки металлов, и масштабирующей их до ещё большей мощности, имеющей разрушительный эффект.

Представители пентагона считают, что технология лазеров высокой энергии, как та, что тестировали на уже списанном Ponce, может играть различные роли как на суше, так и на море: уничтожать дешёвые ракеты, артиллерию, дроны, небольшие лодки, нагруженные оружием, которые повстанцы вводят в строй в таких местах, как Ирак и Афганистан. Сегодня уничтожение ракеты повстанцев стоимостью в несколько тысяч долларов может потребовать задействовать комплекс «Пэтриот» стоимостью в $$2-3 млн. Для сравнения, выстрел из волоконного лазера может стоить всего $1 за дизельное топливо, как утверждают военные.

Военные других стран также нацеливаются на создание волоконных лазеров с уровнем мощности порядка 100 кВт, необходимым для надёжного уничтожения целей на расстоянии в несколько километров. Китайская компания Poly Technologies, израильская Rafael и немецкая оборонная фирма Rheinmetall уже разработали лазеры, по мощности не уступающие американскому прототипу. Британия потратит £30 млн на постройку 50 кВт лазера Dragonfire, а Япония изучает возможность использования волоконных лазеров для блокирования атак ракетами малой дальности и баллистическими ракетами из Северной Кореи. США идут впереди всех, 15 лет назад запустив программу по разработке высокоэнергетических лазеров с электрической накачкой, и получает преимущества от быстрого развития промышленных волоконных лазеров, идущего под управлением IPG Photonics. Компания, расположенная в г. Оксфорд штата Массачусетс, была основана в России в 1990-х, но затем её штаб-квартира переехала в США в 1998-м. Её производства расположены по всему миру и она доминирует на международном рынке волоконных лазеров.

«Минобороны хотело получить лазерное оружие с момента изобретения лазера», — говорит Роберт Афзал, старший научный сотрудник по лазерам и сенсорам в филиале оборонной компании Lockheed Martin, расположенном в Бозеле, штат Вашингтон. «Ключевым элементом было создание высокоэнергетического электрического лазера, достаточно небольшого и достаточно мощного для того, чтобы его можно было размещать на грузовиках, самолётах и кораблях, и не снимать оттуда всё остальное оборудование», чтобы освободить для него место. И хотя сейчас в разработке находятся и другие технологии, судя по всему, именно волоконные лазеры первыми смогут удовлетворить этим требованиям.

Пентагон был ослеплён мечтами о лазерном оружии с тех пор, как физик Гордон Гулд зашёл в Агентство по исследованию перспективных проектов, которому тогда было всего несколько месяцев, в 1959 году, и предложил им создать лазер. Гулд, один из трёх человек, с чьими именами связывают создание лазера, воспользовался идеей генерации когерентного света, высказанной 37-летним аспирантом в Колумбийском университете в конце 1957 года. За несколько недель он набросал свой вариант с парой зеркал, расположенных на противоположных концах тонкого длинного цилиндра. Выкуривая одну сигарету за другой над грудой научных работ и своей записной книжкой, расположившихся на кухонном столе, он понял, что лазер может концентрировать свет в мощный луч. Разработав идею лазера, Гулд забросил свои исследования для докторской, и запатентовал изобретение, в итоге заручившись поддержкой компании TRG, где он начал работать в начале 1958.

На первых местах в списке задач нового подразделения минобороны США стояла задача защиты от ядерного оружия. Поэтому новое агентство весьма заинтересовалось возможностью постройки оружия, действующего со скоростью света. ARPA выделила $1 млн (в сегодняшних ценах это $8) на разработку предложения Гулда. К несчастью, когда Пентагон решил сделать эту работу секретной, его вовлечение в Коммунистическую партию в юном возрасте помешало ему получить разрешение на доступ, которое было необходимо для работы над его собственным проектом.

Для создания мощного луча потребовалось нечто большее, чем пара зеркал. Требовалось разместить между зеркалами некий источник света и придумать способ накачки энергии в этот материал. Первый рабочий лазер был построен на основе твёрдого синтетического рубина, содержащего испускающие свет атомы хрома, которые можно было накачать яркими импульсами света от лампы. Вскоре появились и другие типы систем: оказалось, что разряд тока, проходящий по трубке, заполненной гелием и неоном, может генерировать когерентный свет. То же могли выдавать и импульсы тока, проходящего по диодам из арсенида галлия, края которых были отполированы до зеркального блеска.

Но Пентагону требовалась мощность повыше, а от этих источников добиться её было невозможно. В изначально секретном проекте ARPA «Сисайд» исследователи построили твердотельные лазеры, используя стержни толщиной в несколько сантиметров, но большая часть входящей световой энергии ушла на разогрев излучающего твёрдого тела, и мало что вышло в виде луча. Поэтому от такого подхода отказались. Схожие проблемы заставили отказаться от ранних газовых и полупроводниковых лазеров.

Военные уже готовы были отказаться от лазерного оружия в середине 1960-х, когда исследователи из лаборатории Авко-Эверетт, расположенной недалеко от Бостона, изобрели удивительный новый подход. Они сжигали углеводородное топливо и заставляли горячий газ проходить через серию сопел, похожих на ракетные, так, чтобы газ протекал между парами зеркал, и генерировал десятки киловатт инфракрасного лазерного света.

Волоконная лазерная пушка: энергия диодных лазеров накачивается в длинный отрезок особого оптоволокна с добавлением испускающих свет атомов иттербия. Свет лазера проходит по длине волокна, и отражается от зеркал, встроенных в волокно, после чего выходит с одного из концов.

Внутри волоконных лазеров: лазер состоит из трёхслойного оптоволокна. У оболочки волокна показатель преломления наиболее низкий. Внутри оболочки находится внешний сердечник ядро с чуть большим показателем преломления. Эта разница заставляет свет на своём пути по волокну отражаться от внешнего сердечника. Свет, пересекающий внутренний сердечник, стимулирует испускание лазерного света атомами иттербия, находящимися во внутреннем сердечнике, обладающим ещё большим показателем преломления.

Технология с потоками газа поддерживала исследование лазерного оружия в американской армии во время Холодной войны. Разработка новых видов топлива, способных выдавать мегаватты энергии, привела к мечтам о создании военных лазерных станций на орбите. Президент США Рональд Рейган потратил миллиарды долларов на Стратегическую оборонную инициативу, исследовавшую возможность создания космических лазеров, сбивающих советские МБР. По окончанию Холодной войны ВВС США потратили ещё миллиарды на то, чтобы впихнуть огромный противоракетный лазер в Боинг-747, чтобы с его помощью бороться с запусками из таких «ненадёжных стран», как Северная Корея. В 2010-м этот мегаваттный монстр и вправду сумел сбить баллистическую ракету во время испытаний – это стало первым его успехом – но его использование так и не приблизилось к практическому уровню. После этого министр обороны Роберт Гейтс зарубил эту программу, объявив: «Я не знаю ни одного человека в униформе, который верил бы в то, что эта концепция – рабочая».

Менее мощные химические лазеры, разрабатывавшиеся для новой антиповстанческой миссии Пентагона, в итоге ждала та же судьба. В 1996 США и Израиль запустили совместную программу по испытаниям 100 кВт газовых лазеров с химической подпиткой, созданных TRW (сейчас входящей в Northrop Grumman). Тактический лазер высокой энергии сбивал ракеты и артиллерийские снаряды в 2000 и 2001-м. Произошедшая примерно в то же время террористическая атака на USS Cole 2000 года подчеркнула опасность мелких лодок и необходимость в поисках защиты от них.

Но у этого лазера от TRW обнаружились две большие проблемы. Во-первых, он был непрактично большим, и состоял из четырёх трейлеров размером с фуру каждый, и отдельной направляющей для луча, размером с огромный прожектор. Во-вторых, что было более важным для экспертов из Пентагона по логистике, ему требовалось особое химическое топливо. Такое топливо всегда порождает проблемы для логистики – любой сбой поставок может сделать оружие бесполезным. Что хуже, сами по себе эти химикаты тоже представляли оружие. В их реакции порождался фтороводород, газ, способный уничтожать роговицы, выжигать лёгкие и серьёзно повреждать кожу – что порождало огромные риски для обслуживавших его солдат.

Тем временем быстро развивалась другая лазерная технология. В 1960-х Жорес Иванович Алфёров из России [советский и российский физик, единственный из проживающих сейчас в России лауреатов Нобелевской премии по физике, вице-президент РАН с 1991 до 2017 года / прим. перев.] и обладатель медали почёта IEEE Герберт Крёмер из США изобрели структуры, кардинально улучившие работу полупроводниковых устройств, включая и диодные лазеры, посредством ограничения потоков света и электрического тока. Это достижение в 2000-м году принесло им Нобелевскую премию по физике. За 17 лет, вплоть до 1977 года, лаборатории Белла продлили время жизни диодных лазеров от секунд до 100 лет, сделав возможным их использование в оптоволоконных коммуникациях. После этого другие лаборатории кардинально увеличили мощность и эффективность, в результате чего диодные лазеры могли превращать примерно половину получаемой ими электрической энергии в лазерный свет.

Диодные лазеры не генерировали узконаправленные лучи, необходимые для оружия, но они открыли новую возможность: заменить лампы в качестве источника энергии твердотельных лазеров. Эти лазеры, испускавшие свой свет в листы стекла или кристаллов, содержащих светоиспускающие добавки, обладали огромным преимуществом перед лампами, поскольку гораздо эффективнее генерировали свет, состоявший к тому же из волн одной длины. Если поиграть с составом полупроводника лазера, то можно подобрать длину волны света, которая будет почти полностью поглощаться кристаллом, что приведёт к крайне эффективному преобразованию его энергии в лазерную. Накачка при помощи диодных лазеров позволила первым моделям опытного лазерного оружия превращать в свет порядка 20% входящей электроэнергии – это было огромным улучшением по сравнению с 1% конвертацией у лазеров с ламповой накачкой.

Высокая эффективность не только экономит Пентагону пару баксов на счетах за электричество. Входящая энергия, не превратившаяся в свет, оказывается паразитным теплом, и ограничивает эффективность лазера, поскольку её необходимо удалять. С практической точки зрения диодные лазеры позволяли надеяться на достижение мощностей в единицы и даже десятки киловатт, хотя и не дотягивали до необходимых для обороны от ракет большой дальности мегаватт.

Лаборатория High Energy Laser Joint Technology Office (HEL-JTO) была запущена для разработки оружия на базе твердотельных лазеров. Подобные системы, использующие листы стекла или кристалла, достигли своего пика в марте 2009 года, когда состоялась демонстрация от корпорации Northrop Grumman. Их устройство выдавало стабильный луч мощностью 105 кВт целых 5 минут. Лазеру не требовалось особое топливо, он не производил токсичные газы, но он весил 7 тонн и занимал 10,8 кубических метров – что сравнимо с размером грузовика-бетономешалки.

Военным, конечно же, хотелось чего-то меньшего по размеру, чем бетономешалка. Ещё одна программа HEL-JTO, Robust Electric Laser Initiative, справилась с задачей. Получив поручение разработать твердотельный лазер, лучше подходящий для использования в бою, HEL-JTO поставила себе задачу по постройке 100 кВт лазера, занимающего 1,2 м³ и способного выдавать более 150 кВт на килограмм, работая с эффективностью не хуже 30%. Два из четырёх запущенных лабораторией проектов рассматривали новые варианты модной лазерной технологии: волоконные лазеры.

Экспериментальные волоконные лазеры, судя по всему, окажутся способными выдать энергию и эффективностью, необходимую для поражения дронов, мелких лодок и других целей

Волоконный лазер, по сути, представляет собой оптоволокно с важными модификациями. У него есть центральный сердечник, обладающий чуть большим показателем преломления, чем окружающая его стеклянная оболочка. Волокно для телекоммуникаций использует подобную структуру для передачи оптических сигналов от лазерных передатчиков по центральному сердечнику, состоящему из чрезвычайного чистого кварца, практически не порождающего потерь. Но в волоконном лазере этот центральный сердечник содержит испускающие свет атомы, обычно иттербий.

У волоконных лазеров есть ещё один дополнительный слой, находящийся между испускающим цвет центральным сердечником и внешней оболочкой. Этот промежуточный слой, внешний сердечник или внутренняя оболочка, обладает показателем преломления, находящимся в промежутке между показателем сердечника и внешней оболочки. Он состоит из стекла высокой частоты, и его задача заключается в проведении света от внешних диодных лазеров накачки, направляемого во внешнюю оболочку посредством отдельных оптоволоконных кабелей. Оттуда уж свет проходит по внешнему сердечнику, отражаясь от стен его оболочки, постоянно пересекая внутренний сердечник, в котором атомы иттербия захватывают фотоны и испускают лазерный свет. Внешняя оболочка специально имеет неправильную форму – D, эллипс, или даже квадрат – чтобы как можно больше света проходила через центральный сердечник.

Как сигнал внутри оптоволоконного телекоммуникационного кабеля, испускаемый атомами иттербия свет остаётся внутри центрального сердечника. Но вместо того, чтобы проходить десятки километров в одном направлении до следующего оптического усилителя или приёмника, этот свет двигается то в одну, то в другую сторону, отражаясь от пары расположенных с двух концов волокна отражателей. И с каждым проходом всё больше атомов иттербия испускают свет, увеличивая мощность лазера.

Плотное прилегание внутреннего и внешнего сердечников гарантирует, что большую часть накачанного света поглотят атомы иттербия. В 2016 году IPG Photonics сообщила, что сумела достичь преобразования более 50% электроэнергии в энергию лазера в лаборатории – это гораздо больше, чем можно получить при помощи твёрдого кристалла или стекла, или более старой схемы твердотельных лазеров. Создание света в длинном и тонком волокне также позволяет получить очень сфокусированный на больших расстояниях луч – а именно это и требуется для передачи летальной энергии на цель, находящуюся в нескольких километрах. Поскольку волоконные лазеры получаются тонкими – диаметр волокна находится в пределах 125-400 мкм – у них очень большое отношение площади поверхности к объёму, что позволяет им гораздо быстрее рассеивать тепло, чем это получается у более коротких и толстых лазеров.

Волоконные лазеры начинали свой путь с малого, они были ответвлением разработки волоконных усилителей для дальних телекоммуникаций в 1990-х. Попытки увеличить их энергию начала делать IPG. Начав с волоконного лазера мощностью в 1 Вт в 1995 году, компания каждые три года добавляла по одному порядку к этой мощности, вплоть до 2012 года. Сама компания тоже росла вместе с мощностью их лазеров. В 2017 её продажи достигли величины в $1,4 млрд – это примерно треть доходов всего рынка промышленных лазеров.

Промышленные волоконные лазеры бывают очень мощными. IPG недавно продала лазер мощностью в 100 кВт исследовательскому лазерному центру NADEX в Японии. Он способен сваривать металлические части толщиной до 30 см. Но ради такой мощности приходится жертвовать способностью к фокусировке луча на расстояниях. Инструментам для резки и сварки нужно работать с объектами, расположенными всего в нескольких сантиметрах от них. А самая высокая мощность, которой удалось добиться от волоконного лазера с лучом, подходящим для фокусировки на объектах, расположенных в сотнях метрах от них – это 10 кВт. Но и этого хватит для неподвижных целей вроде неразорвавшихся снарядов, оставшихся на поле боя, поскольку лазер можно довольно долго фокусировать на взрывчатке, пока она не сдетонирует.

Конечно, 10 кВт не смогут остановить катер, везущий на себе бомбу. В демонстрации для ВМФ на USS Ponce использовалось шесть промышленных волоконных лазеров от IPG, каждый из которых имел мощность в 5,5 кВт, стрелявших через один и тот же телескоп для формирования луча мощностью в 30 кВт. Но не получится получить луч мощностью в 100 кВт, способный сохранять фокусировку, необходимую для уничтожения быстро движущихся удалённых целей, просто добавляя свет от дополнительных промышленных лазеров и увеличивая размер телескопа. Для этого Пентагону требовалась единая система, способная выдавать 100 кВт. Лазер должен был отслеживать движение цели, фокусируясь на слабом месте вроде двигателя или взрывчатки, пока луч его не уничтожит.

К сожалению, с текущим подходом это невозможно. «Если бы я смог создать лазер на 100 кВт на основе одного волоконного кабеля, это было бы здорово, но я этого не могу, — говорит Афзал из Lockheed. – Масштабировать единое оптоволокно до высокой энергии не получается». Для такой мощности требуется новая технология, добавляет он. Ведущий кандидат – комбинирование лучей множества отдельных волоконных лазеров каким-то более управляемым способом, чем простое направление всех лучей через один телескоп. И в этой области многообещающе выглядят два подхода.

Одна идея – точно уравнять фазы световых волн, исходящих из нескольких волоконных лазеров, чтобы они складывались и формировали единый, более мощный луч. Световые волны в каждом лазере когерентны, то есть они движутся одинаково друг с другом – у всех волн совпадают вершины и впадины. В принципе, когерентное совмещение лучей нескольких различных лазеров должно создавать мощный луч, который можно было бы сфокусировать на целях, расположенных в нескольких километрах. Фазированные антенные решётки могут комбинировать когерентный выход нескольких радиопередатчиков, но со светом это проделать гораздо сложнее. Длина световых волн на порядки короче – порядка микрометра, в отличие от сантиметров в случае радара – из-за чего становится чрезвычайно сложно точно совместить волны, чтобы они конструктивно складывались, и не интерферировали.

Другой подход предполагает игнорирование фаз и комбинирование лучей из многих волоконных лазеров, оснащённых оптикой, ограничивающей испускаемый ими свет на одном коротком отрезке спектра. В результате каждый луч имеет свою, отличную длину волны. В результате их комбинации получается луч с большим разбросом длин волн, а его составляющие не интерферируют друг с другом. Эта техника называется «спектральным комбинированием луча», и была взята на вооружение из технологии спектрального уплотнения каналов, оказавшейся чрезвычайно успешной в вопросе впихивания большего количества данных в существующие оптоволоконные коммуникационные каналы.

Для внедрения этой технологии в Lockheed разработали особую оптику, отклоняющую лучи отдельных волоконных лазеров под углами, зависящими от длины волны – так, как призма разделяет цвета спектра. После этого лучи объединяются и формируют единый луч. В 2014 году компания «создала и испытала за свои деньги лазер мощностью в 30 кВт, чтобы разобраться с физикой и инженерными основами», — говорит Афзал. Система комбинировала 96 лучей с разными длинами волн по 300 Вт каждый в единый луч общей мощностью в 30 кВт. На относительно низких энергиях лазеры выдают высококачественные лучи, поэтому их легче скомбинировать для получения на выходе высокоэнергетического луча, чем построить один лазер с высокой энергией и тем же качеством луча, как утверждает Афзал.

В прошлом году Lockheed удалось масштабировать эту технологию до 60 кВт, когда она представила модель для установки на военный грузовик, подготовленный для участия в боях. Этот лазер «поставил мировой рекорд по эффективности военных твердотельных лазеров, превысив 40% планку», — утверждает Адам Аберле, глава отдела разработки и демонстрации технологии высокоэнергетических лазеров. С такой эффективностью лазерная система с лучом мощностью 100 кВт выдаёт менее 150 кВт паразитного тепла. Сравните это с 400 кВт паразитного тепла, которое выдавал лазер, сделанный по иной технологии в 2009 году компанией Northrop Grumman. 1 марта Lockheed объявила, что к 2020 году поставит ВМФ США два экземпляра похожих лазеров под названием HELIOS, которые должны будут выдавать не меньшую мощность. ВМФ установит один из них на эсминец, и интегрирует его в боевую систему корабля, а второй проверит на суше на стрельбище Уайт-Сэндс в Нью-Мексико.

«Мы расцениваем разработку высокоэнергетического волоконного лазера с комбинированием лучей как последний кусочек головоломки», — говорит Афзал. Возможно, но поиски идеального лазерного оружия ещё далеко не закончены. Сейчас, когда технология высокоэнергетических лазеров уже выглядит жизнеспособной, военным придётся подумать над тем, как развёртывать лазеры в боевых условиях и против чего использовать. А для этого придётся разработать, создать, испытать, улучшить оборудование, необходимое для превращения мощного лазера в мобильное оружие: сюда входят грузовики, корабли и самолёты, переносящие лазер; сенсоры и компьютерные системы, распознающие и отслеживающие цели; системы управления питанием, поставляющие лазеру электричество; системы охлаждения, предотвращающие перегрев; оптика для фокусировки мощного луча на движущихся целях на достаточное для уничтожения или вывода их из строя время.

Да и само оборудование пока не готово к таким задачам. Группы по исследованию и разработке будут передавать свои лазеры военным рабочим группам, занимающимся обеспечением матчасти, например U.S. Naval Sea Systems Command, для интеграции новой технологии в военные планы и разработки процедур для поддержки его работы. Рабочие группы также должны будут провести критические испытания летальности лазеров на примере потенциальных целей и разработать стратегию и тактику их использования в бою.

Проще говоря, возможности сбивать ракеты на испытательном полигоне недостаточно, чтобы лазерное оружие заслужило своё место в боевом арсенале. У военных ушло почти 60 лет на то, чтобы довести лазеры до такого состояния, которое бы делало их потенциально полезными для боя. Но в Пентагоне очень многие высшие чины росли на «кинетическом оружии» – пушках и ракетах – и их очень тяжело будет переубедить в наступлении эпохи Бака Роджерса. Без широкой поддержки не найдутся деньги для финансирования сложной и дорогой работы по развёртыванию радикально нового типа вооружений. Как сказал один острослов (по другому поводу): «Не будет баксов, не будет и Бака Роджерса».